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孤立微電網(wǎng)黑啟動(dòng)研究

2021-02-18 10:05趙俊杰劉旭東
通信電源技術(shù) 2021年16期
關(guān)鍵詞:柴油發(fā)電機(jī)電源

趙俊杰,劉旭東,肖 朋

(營(yíng)口職業(yè)技術(shù)學(xué)院,遼寧 營(yíng)口 115000)

0 引 言

大電網(wǎng)的運(yùn)行結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,一旦電網(wǎng)發(fā)生故障或受到大的擾動(dòng),與電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的微電網(wǎng)可切換至離網(wǎng)狀態(tài)孤立運(yùn)行,從而與大電網(wǎng)分離。在微電網(wǎng)孤立運(yùn)行的過(guò)程中,仍有可能出現(xiàn)故障使其癱瘓進(jìn)入全黑狀態(tài),因此孤立微電網(wǎng)自身需要具備黑啟動(dòng)的功能[1]。目前,人們對(duì)于微電網(wǎng)黑啟動(dòng)技術(shù)大多側(cè)重于對(duì)其控制策略方法的研究,因此開(kāi)發(fā)新的理論支撐決策以完善黑啟動(dòng)技術(shù)在實(shí)際生活中的適應(yīng)性十分必要。由于受微電網(wǎng)中多種因素的影響,使得在啟動(dòng)電源的選擇、啟動(dòng)策略的制定等方面都存在諸多困難。隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不斷變革更新,對(duì)黑啟動(dòng)技術(shù)的研究也開(kāi)始逐漸擴(kuò)展到分布式供電結(jié)構(gòu)方面。結(jié)合分布式供電結(jié)構(gòu)所具備的多種優(yōu)良特性,對(duì)大電網(wǎng)的黑啟動(dòng)過(guò)程提供相應(yīng)的技術(shù)支持[2]。但是,目前所研究出的黑啟動(dòng)理論只有一小部分能夠適用于孤立的微電網(wǎng),所以本文結(jié)合研究現(xiàn)狀,以孤立微電網(wǎng)作為理論前提,解決黑啟動(dòng)策略制定和黑啟動(dòng)過(guò)程中的一些難點(diǎn)問(wèn)題,應(yīng)用改進(jìn)后的技術(shù)方案,大幅度提升微電網(wǎng)應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況的能力。

1 一種微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文中采用了一種易于工程實(shí)現(xiàn)、適合我國(guó)國(guó)情的以清潔能源為主的典型微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖1所示。

圖1 微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)和主網(wǎng)之間通過(guò)PCC連接,并在此處設(shè)置并/離網(wǎng)切換開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)和并網(wǎng)兩種模式的切換。系統(tǒng)中有4個(gè)可調(diào)負(fù)載作為負(fù)荷,分別接入柴油發(fā)電機(jī)、光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電以及蓄電池作為系統(tǒng)的微源。

微電網(wǎng)按照多代理系統(tǒng)分層控制的思想,其中微電網(wǎng)中心控制系統(tǒng)(Micro Grid Central Controller,MGCC)主要負(fù)責(zé)微網(wǎng)系統(tǒng)各單元的優(yōu)化、能量管理、與下層系統(tǒng)之間的通信和調(diào)度以及黑啟動(dòng)控制等。微電網(wǎng)內(nèi)部設(shè)備控制包括微電源控制層和負(fù)荷控制層,前者與MGCC相配合,主要負(fù)責(zé)控制微電源的運(yùn)行、上傳微電源的信息至MGCC。負(fù)荷控制器(Load Controller,LC)與MGCC相配合,主要負(fù)責(zé)控制負(fù)荷的投切并上傳負(fù)荷的信息至MGCC。

2 黑啟動(dòng)微源的選取

通常情況下,微電網(wǎng)都是工作在并網(wǎng)模式與大電網(wǎng)并列運(yùn)行,但是當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生故障或擾動(dòng)等情況時(shí),微電網(wǎng)就會(huì)切換到離網(wǎng)模式孤立運(yùn)行。在孤立運(yùn)行的情況下,微電網(wǎng)本身仍有發(fā)生故障的可能性,因此孤立運(yùn)行的微電網(wǎng)需要具有在離網(wǎng)運(yùn)行情況下自身實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng)恢復(fù)供電的能力[3]。

根據(jù)微電網(wǎng)系統(tǒng)中的微源是否具有黑啟動(dòng)能力,可將其分為兩類,具有黑啟動(dòng)能力的微源通常稱為黑啟動(dòng)分布式電源(Black-start DG,BDG),不具有黑啟動(dòng)能力的微源通常稱為非黑啟動(dòng)分布式電源(Non Black-start DG,NBDG)。微電網(wǎng)的黑啟動(dòng)主要就是借助黑啟動(dòng)微源帶動(dòng)整個(gè)微電網(wǎng)的恢復(fù),因此黑啟動(dòng)微源的選取直接影響著微網(wǎng)黑啟動(dòng)是否能夠成功完成。

通常選擇黑啟動(dòng)微源時(shí)要考慮以下幾點(diǎn):一是機(jī)組的容量。盡量選擇容量大的BDG,這樣可以增大啟動(dòng)功率,同時(shí)也可以縮短系統(tǒng)故障恢復(fù)時(shí)間。二是微源的調(diào)頻調(diào)壓能力。為了使微源啟動(dòng)后孤立微電網(wǎng)保持運(yùn)行的穩(wěn)定性,需要選擇具有一定調(diào)頻調(diào)壓能力的微電源來(lái)維持微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。三是微源的升負(fù)荷速度。微源的升負(fù)荷速度直接影響微源的帶負(fù)載能力,而選擇帶負(fù)載能力強(qiáng)的微源能保障重要負(fù)荷的供電,因此選擇升負(fù)荷速度較快的微源更佳。四是微源的抗擾動(dòng)性能。能源供給波動(dòng)較大或含有較多影響因素的微電源不應(yīng)作為黑啟動(dòng)微電源,如光伏、風(fēng)力發(fā)電等。而能源供給穩(wěn)定且具有良好的動(dòng)態(tài)性能和抗擾動(dòng)性能的微電源適合作為黑啟動(dòng)微電源,如微型燃?xì)廨啓C(jī)、柴油發(fā)電機(jī)以及燃料電池等。

考慮到以上幾點(diǎn)原則,本文所建立的微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,柴油發(fā)電機(jī)的可靠性高且基本不受其他因素影響,還具有良好的負(fù)荷跟隨特性,因此作為黑啟動(dòng)微源的首選。蓄電池調(diào)節(jié)速度快,能夠快速在充放電狀態(tài)之間進(jìn)行切換,這一特點(diǎn)使得它能夠快速自啟動(dòng)并能夠減緩其他微源的沖擊,因此可作為黑啟動(dòng)微源。而光伏發(fā)電受外界天氣因素影響較大,并且容易給微網(wǎng)帶來(lái)頻率上的波動(dòng),因此不作為黑啟動(dòng)微源[4-6]。

3 微電網(wǎng)黑啟動(dòng)方案的選擇

電力系統(tǒng)黑啟動(dòng)方式分為兩種,即串行恢復(fù)(向下恢復(fù))和并行恢復(fù)(向上恢復(fù)),兩種恢復(fù)方式的微源啟動(dòng)方式不同且各有優(yōu)缺點(diǎn),如表1所示。

從表1中可以看出,并行恢復(fù)的微源啟動(dòng)方式為并行啟動(dòng),加入同期并列裝置后并列組網(wǎng),黑啟動(dòng)恢復(fù)速度較快。串行恢復(fù)方式相比于并行恢復(fù)的恢復(fù)時(shí)間更長(zhǎng),但逐步組網(wǎng)的方式使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。本文在研究并行恢復(fù)和串行恢復(fù)的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)了基于并行和串行恢復(fù)相結(jié)合的微電網(wǎng)黑啟動(dòng)方案,充分結(jié)合并行恢復(fù)和串行恢復(fù)的優(yōu)點(diǎn)。

4 微電網(wǎng)黑啟動(dòng)步驟

4.1 切除全部負(fù)荷

在黑啟動(dòng)的初期,負(fù)荷過(guò)大極易造成微源故障停機(jī)的現(xiàn)象。為避免發(fā)生此類現(xiàn)象,MGCC應(yīng)首先切除微電網(wǎng)系統(tǒng)中的所有電力設(shè)備,即切斷全部負(fù)荷及微電源,這樣才能夠保證黑啟動(dòng)微源在空載狀態(tài)下進(jìn)行黑啟動(dòng)恢復(fù)供電。

4.2 啟動(dòng)BDG并聯(lián)組網(wǎng)

由于微電網(wǎng)是脫離大電網(wǎng)孤立運(yùn)行的,因此在微電網(wǎng)中需要一個(gè)主參考源來(lái)提供參考電壓及頻率。本文選擇柴油發(fā)電機(jī)作為黑啟動(dòng)的主參考源,并啟動(dòng)蓄電池,各自建立它們的子網(wǎng),分別使用其恒壓恒頻控制策略和下垂控制策略。主參考源柴油發(fā)電機(jī)的電壓和頻率作為整個(gè)系統(tǒng)的參考值,以下垂方式啟動(dòng)的蓄電池參照此參考值將運(yùn)行模式切換至PQ模式,與柴油發(fā)電機(jī)并行組網(wǎng),完成并行恢復(fù)[7]。

4.3 啟動(dòng)光伏微電源并組網(wǎng)

黑啟動(dòng)初期系統(tǒng)容量小,頻率和電壓有可能受擾動(dòng)而失去穩(wěn)定。在黑啟動(dòng)過(guò)程中,大量NBDG的同時(shí)啟動(dòng)容易引起瞬時(shí)沖擊,因此本文實(shí)現(xiàn)對(duì)NBDG的串行恢復(fù)。首先啟動(dòng)光伏微電源,以PQ方式啟動(dòng),并參考已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng)的BDG的電壓和頻率等參數(shù),并組網(wǎng)[8-10]。

4.4 啟動(dòng)風(fēng)能微電源并組網(wǎng)

經(jīng)過(guò)前面幾步的調(diào)整,各個(gè)分布式電源的接入增加了微電網(wǎng)的發(fā)電容量,電網(wǎng)的電壓和頻率得到穩(wěn)定控制,微電網(wǎng)有能力對(duì)更多的負(fù)載提供穩(wěn)定的電能。啟動(dòng)風(fēng)能微電源,以PQ運(yùn)行模式啟動(dòng),并參考已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng)的BDG的電壓和頻率等參數(shù),并組網(wǎng)。

最后,微網(wǎng)系統(tǒng)中接入其他負(fù)荷,使微電網(wǎng)系統(tǒng)帶更多的負(fù)載,保證負(fù)荷的穩(wěn)定供電。

5 組網(wǎng)控制器的設(shè)計(jì)

為了保證蓄電池和柴油發(fā)電機(jī)在組網(wǎng)時(shí)能夠順利完成,本文設(shè)計(jì)了組網(wǎng)控制器,如圖2所示,其中u和i分別為采集的電壓和電流。

初始狀態(tài)下,K1閉合,K2斷開(kāi),由主參考源柴油發(fā)電機(jī)提供給蓄電池參考電壓和功率,完成同步,運(yùn)行PQ控制器。然后在并網(wǎng)過(guò)程中模式切換時(shí)控制開(kāi)關(guān)K2閉合,K1斷開(kāi),功率鎖存器計(jì)算的輸出功率為切換后提供參考,保持控制器的狀態(tài)不變。

6 結(jié) 論

提出一種含有光伏和風(fēng)能發(fā)電的微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了基于并行和串行恢復(fù)相結(jié)合的微電網(wǎng)黑啟動(dòng)方案,充分結(jié)合并行恢復(fù)和串行恢復(fù)的優(yōu)點(diǎn),使微電源和負(fù)荷按照一定的步驟實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng),并為此設(shè)計(jì)了組網(wǎng)控制器,使組網(wǎng)能夠順利進(jìn)行。

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